适用于PIV的多层可拆卸恒温多孔介质渗流试验装置

技术领域

本发明涉及室内一维土柱渗流试验装置，尤其涉及适用于PIV的多层可拆卸恒温多孔介质渗流试验装置及测试方法。

背景技术

地下水资源的过度开采会导致地下水资源衰减、地面沉降、地表裂缝、岩溶坍塌、海水侵入、地下水水质成化以及地下水水质恶化等一系列环境地质问题。因此为保护地下水资源、缓解过度开采地下水带来的地质问题，必须采用合理可靠的手段进行地下水人工回灌，以维持地下水资源平衡。随着地下水回灌的应用逐渐增多，回灌井堵塞和溢出的问题逐渐显露，地下水回灌堵塞主要分为物理堵塞、生物堵塞以及化学堵塞。因此，如何科学地、贴近地下水回灌环境地开展室内一维土柱渗流试验，研究不同水体条件下土壤中颗粒物迁移、微生物迁移、生物膜生长变化规律对于理解和预防回灌井堵塞导致的回灌井失效具有重要意义。现有的土柱渗流实验手段和方法普遍较为传统且简陋，大部分渗流试验台试验对象为单一土体或单一多孔介质；同时渗透试验加载液体也较为单一，一般为室温条件下的未灭菌水溶液；并且非扰动的柱体内部渗流状态、颗粒分布状态、生物膜繁殖状态等很难观察。

一方面，传统室内一维渗流试验装置的加载条件较为简单，基本上以单一的水压加载为主，而且较落后的提高梯度水头进行水压加载的方法仍然被广泛应用，此类的加载方法的水压加载量程有限且难以调控，无法精确还原实际回灌条件下的水流状态。同时，未经灭菌处理的水溶液在进行多孔介质中生物膜生长试验时，将对试验结果产生巨大且不可逆转的危害。所以有必要发明一种可以实现精确控制入流速度、可控温并实现水溶液灭菌的土体渗流实验加载装置。

另一方面，考虑到实际土壤环境的复杂性，由于地质成因等因素影响，实际回灌井周围土壤也极少出现土样均匀一致的情况；特别地，目前室内一维渗流试验装置基本以一个完整的模型箱为试验对象，一体化的渗流柱是虽然具有造价低、密闭性好等优势，但其无法分段制样、分段取样的弊端也非常明显。即便人为地对多种尺寸土样或多孔介质进行分层堆叠，也无法控制试验过程中土样或介质随水体流动进行迁移。

此外，目前土样渗流试验或多孔介质渗流实验大多停留在宏观层面的现状与渗流试验台以及试验手段是密切相关的。粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，后简称PIV)虽然可以对于柱体内部颗粒物流动状态进行图像捕捉，但传统渗流柱的圆柱形柱体会对激光产生干涉，影响拍摄效果并对镜头造成不可逆的损伤。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题看，本发明提供了一种适用于PIV的多层可拆卸恒温多孔介质渗流试验装置及测试方法。

本发明提供了一种适用于PIV的多层可拆卸恒温多孔介质渗流试验装置，包括恒温渗流加载系统、渗流模型箱、渗流测压系统、水质监测系统，所述渗流试验加载系统、渗流测压系统、水质监测系统分别与所述渗流模型箱连接；所述渗流试验模型箱中渗流试验柱从上至下，由入流箱室、第一渗流段箱室、第二渗流段箱室、第三渗流段箱室以及出流箱室组成，上下相邻箱室之间为可拆卸连接，可选择孔径的孔板以及滤网作为辅助间隔；所述渗流试验模型箱中适用于PIV的可拆卸透光箱体与渗流试验柱均固定在支架上，适用于PIV的可拆卸透光箱体固定于渗流试验柱外侧；所述恒温渗流加载系统与所述入流箱室连接，渗流测压系统(3)与所述渗流段箱室测压口连接，水质监测系统与所述渗流段箱室取样口以及所述出流箱室出流口连接。

作为本发明的进一步改进，所述渗流加载装置由纯水机、灭菌水箱、恒温水箱、蠕动泵组成，所述纯水机与所述灭菌水箱连接，所述灭菌水箱与所述恒温水箱连接，所述恒温水箱与所述蠕动泵连接，所述蠕动泵与所述入流箱室连接。所述渗流模型箱包含渗流试验柱以及适用于PIV的可拆卸透光箱体。所述渗流试验柱包含多个可拆卸可装配并且相互密封连接的箱室，从上至下分别为入流箱室、多层渗流段箱室以及出流箱室，所述渗流段箱室从上至下分别为第一渗流段箱室、第二渗流段箱室、第三渗流段箱室所述入流箱室连接渗流加载系统，所述出流箱室连接所述水质监测系统。试验装置中渗流测压系统为包含多个测压管的测压板，所述测压管数量与所述渗流段测压口数量保持一致，所述测压管下端与所述渗流段测压口相连，所述测压管孔口平顺光滑且内径8mm避免毛细现象及表面张力的影响，所述测压管配有相应数量、刻度清晰的标尺。所述水质监测系统包含水质测试设备、集水箱以及出流水量称重装置，所述水质测试设备与所述渗流段取样口以及所述出流箱室出流口连接，所述集水箱放置于所述出流箱室出流口下方，所述集水箱放置于出流水量称量装置上方。

作为本发明的进一步改进，所述灭菌水箱中设置UV紫外杀菌灯，所述UV紫外杀菌灯装置于所述灭菌水箱箱体底部对入流液体进行灭菌。

作为本发明的进一步改进，所述渗流柱采用PVC硬质塑料制成，塑料颗粒透光率为96％-98％，具有良好透光性。所述渗流柱中入流箱室顶端为可移动式密封顶盖，所述顶盖中央设置入流孔以及注射孔，便于渗流液体与示踪粒子注入渗流柱腔体；所述入流腔室右侧距顶端2-3cm处开设溢流口，平衡气压、稳定液位。所述渗流试验柱柱体左右两侧分别开设取样口与测压口，具体为所述可拆卸渗流柱中所述渗流试验段柱体右侧均匀开设测压孔，连接至所述渗流测压系统；左侧对应位置开设所述取样口，所述取样口连接至所述水质测试设备；所述取样口与测压口内均放置钢丝网阻止土壤或试验介质堵塞管路并全部配置阀门。

作为本发明的进一步改进，所述渗流试验柱中各段箱室之间为法兰连接，上下相邻的箱室之间设有密封橡胶圈、滤网、孔板，所述滤网、孔板均可根据试验材料的实际尺寸进行更换，所述箱室为圆筒状且直径一致。所述渗流试验柱固定在实验台支架上，所述支架保证所述渗流试验柱出流口距地面15cm，以容纳所述集水箱与出流水量称重装置。

作为本发明的进一步改进，所述适用于PIV的可拆卸透光箱体采用PVC硬质塑料制成，塑料颗粒透光率为96％-98％，顶部为可活动顶盖，所述顶盖分为左顶盖与右顶盖两部分，所述箱体底端靠近支架处设置放水阀门。

本发明还提供了一种适用于PIV的多层可拆卸取样的恒温多孔介质渗流试验装置的测试方式，具体包括以下步骤：

步骤一，分层制备渗流试验用土壤或多孔介质，依据从下至上的顺序组装渗流模型箱；

步骤二，将渗流试验柱左右两侧取样口与测压口分别与水质测试设备、对应测压管相接，将集水箱放置于出流水量称重装置后放于渗流试验柱出流口下方，并完成校准，若关注重点为出流水水质则可将出流口与水质测试设备相连；

步骤三，以纯水机、灭菌水箱、恒温水箱、蠕动泵的顺序连接，安装和设置恒温渗流加载装置，进行调试和测试；

步骤四，打开恒温渗流试验加载装置，设定恒温水箱温度，稳定运行后开始渗流试验，并观测水质测试设备、测压板、集水箱内水位高度与集水箱出流水重量等试验参数的变化；

步骤五，记录数据，完成测试。

进一步的，步骤一包括以下子步骤：

子步骤一，首先根据研究目的和具体试验要求选择合适的一种或多种土壤、多孔介质按需放置在不同渗流段箱室，设计包含了三段渗流段箱室，上下箱室连接处可根据具体试验要求更换与所选介质尺寸相匹配的孔板进行辅助分隔，也可根据试验需求增减渗流段箱室数量。

子步骤二，所述第一渗流段箱室、第二渗流段箱室、第三渗流段箱室均为等直径等高度的圆筒状有机玻璃柱，上下箱室之间使用法兰连接，法兰断面上设有密封槽，槽内装置密封圈，法兰直接可选择性放置孔板或滤网，将上下法兰的螺栓孔对齐后用螺栓或双头螺柱将上下箱体紧密连接，在试验正式开始前进行密封性试验确保连接处的气密性与水密性。

作为本发明的进一步改进，在步骤二中，若试验手段为使用PIV对渗流柱内流场情况进行观察，则不需要进行取样口与水质测试设备的连接、测压口与测压板的连接，应将连接用软管移开并锁紧取样口、测压口阀门，将PIV测试用外罩卡紧在支架上并充满适当液体后合上顶端左右盖板，最后对渗流模型箱进行拍摄，记录渗流柱内部流场情况。

本发明的有益效果：通过上述装置与测试方案，具有入流液体恒温、可拆卸、制样取样灵活、可灭菌等优点；采用多层可拆卸制样取样，主要克服了传统的一体式一维土体渗流试验装置介质均匀单一、无法准确分段取样、试验环境温度不稳定的问题。同时配合使用适用于PIV的可拆卸透光箱体，解决常规圆柱状渗流柱柱体折射导致不适用于粒子图像测速PIV系统的弊端。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图。

附图1中的标号名称：1.恒温渗流加载系统、2.渗流模型箱、3.渗流测压系统、4.水质监测系统、1-1.纯水机、1-2.灭菌水箱、1-3.恒温水箱、1-4.蠕动泵、1-5.UV紫外灭菌灯、2-1.入流箱室、2-2.第一渗流段箱室、2-3.第二渗流段箱室、2-4.第三渗流段箱室、2-5.出流箱室、2-6.入流口、2-7.颗粒物注射器、2-8.颗粒物注射孔、2-9.溢流口、2-10.孔板、2-11.滤网、2-12.取样口、2-13.测压口、2-14.出流口、2-15.左顶盖、2-16.右顶盖、2-17.适用于PIV的可拆卸透光箱体、2-18.放水阀门、2-19.支架、3-1.测压管、3-2.测压板、3-3.标尺、4-1.水质测试设备、4-2.集水箱、4-3.称重装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的装置结构与具体实施方式进行进一步说明。

如图1所示，本装置包括恒温渗流加载系统(1)、渗流模型箱(2)、渗流测压系统(3)、水质监测系统(4)，所述渗流试验加载系统(1)、渗流测压系统(3)、水质监测系统(4)分别与所述渗流模型箱(2)连接；所述渗流试验模型箱(2)中渗流试验柱从上至下，由入流箱室(2-1)、第一渗流段箱室(2-2)、第二渗流段箱室(2-3)、第三渗流段箱室(2-4)以及出流箱室(2-5)组成，上下相邻箱室之间为可拆卸连接，可选择孔径的孔板(2-10)以及滤网(2-11)作为辅助间隔；所述渗流试验模型箱(2)中适用于PIV的可拆卸透光箱体(2-17)与渗流试验柱均固定在支架(2-19)上，适用于PIV的可拆卸透光箱体(2-17)固定于渗流试验柱外侧；所述恒温渗流加载系统(1)与所述入流箱室(2-1)连接，渗流测压系统(3)与所述渗流段箱室测压口(2-13)连接，水质监测系统(4)与所述渗流段箱室取样口(2-12)以及所述出流箱室出流口(2-14)连接。

如图1所示，所述恒温渗流加载系统由纯水机(1-1)、灭菌水箱(1-2)、恒温水箱(1-3)、蠕动泵(1-4)组成，纯水机(1-1)与灭菌水箱(1-2)连接，灭菌水箱(1-2)与恒温水箱(1-3)连接，恒温水箱(1-3)与蠕动泵(1-4)连接，蠕动泵(1-3)与入流箱室(2-1)连接。灭菌水箱(1-2)中设置UV紫外杀菌灯(1-5)，所述UV紫外杀菌灯(1-5)装置于所述灭菌水箱箱体(1-2)底部对入流液体进行灭菌。渗流模型箱(2)包含渗流试验柱、适用于PIV的可拆卸透光箱体(2-17)及支架(2-19)，渗流试验柱包含多个可拆卸可装配并且相互密封连接的箱室，从上至下分别为入流箱室(2-1)、第一渗流段箱室(2-2)、第二渗流段箱室(2-3)、第三渗流段箱室(2-4)以及出流箱室(2-5)，第一渗流段箱室(2-2)、第二渗流段箱室(2-3)、第三渗流段箱室(2-4)组成渗流段箱体，入流箱室(2-1)连接恒温渗流加载系统(1)，出流箱室(2-5)连接所述水质监测系统(4)；渗流试验柱固定于支架(2-19)之上。其中，渗流测压系统(3)为包含多个测压管(3-1)的测压板(3-2)，测压管(3-1)数量与所述渗流段箱体测压口(2-13)数量保持一致，测压管(3-1)下端与所述测压口(2-13)相连，测压管(3-1)孔口平顺光滑且内径为8mm以避免毛细现象及表面张力的影响，测压管(3-1)配有相应数量、刻度清晰的标尺(3-3)。水质监测系统(4)包含水质测试设备(4-1)、集水箱(4-2)以及出流水量称量装置(4-3)，水质测试设备与所述渗流段箱体取样口(2-12)以及出流箱室出流口(2-14)连接，集水箱(4-2)放置于出流箱室出流口(2-14)下方，集水箱(4-2)放置于出流水量称量装置(4-3)，测定出流水量。

如图1所示，入流箱室(2-1)、第一渗流段箱室(2-2)、第二渗流段箱室(2-3)、第三渗流段箱室(2-4)以及出流箱室(2-5)均采用PVC硬质塑料制成，塑料颗粒透光率为96％-98％，具有良好透光性，实现渗流过程可视化。入流箱室(2-1)顶端为密封顶盖，入流箱室(2-1)顶盖中央设置入流口(2-6)，渗流液体由入流口(2-6)进入渗流试验柱；入流口(2-6)右侧设置颗粒物注射孔(2-8)，配置颗粒物注射器(2-7)以便于示踪粒子或试验用颗粒物注入渗流柱腔体；入流腔室(2-1)右侧距顶端2-3cm处开设溢流口(2-9)，平衡气压、稳定液位。渗流试验柱柱体左右两侧分别开设取样口(2-12)与测压口(2-13)，具体为可拆卸渗流柱中所述渗流试验箱体右侧均匀开设测压孔(2-13)，连接至渗流测压系统(3)；左侧对应位置开设取样口(2-12)，连接至所述水质测试设备(4-1)；取样口(2-12)与测压口(2-13)内均放置钢丝网阻止土壤或试验介质堵塞管路并全部配置阀门。

渗流试验柱中各段箱室之间为法兰连接，上下相邻的箱室之间设有孔板(2-10)及滤网(2-11)，所述孔板(2-10)均可根据试验材料的实际尺寸进行更换，各箱室为圆筒状且直径一致；所述渗流试验柱固定在支架(2-19)上，支架(2-19)保证所述渗流试验柱出流口(2-14)距地面15cm，以容纳集水箱(4-2)与出流水量称重装置(4-3)。

如图1所示，装置配备的适用于PIV的可拆卸透光箱体(2-17)采用PVC硬质塑料制成，塑料颗粒透光率为96％-98％，顶部为可活动顶盖，顶盖分为左顶盖(2-15)与右顶盖(2-16)两部分，闭合顶盖后可防止灰尘杂质等在试验过程中进入箱体中，影响PIV拍摄效果；箱体(2-17)底端靠近支架(2-19)处设置放水阀门(2-18)。

如图1所示，本发明还提供了一种适用于PIV的多层可拆卸恒温多孔介质渗流试验装置的测试方式，具体包括以下步骤：

步骤一，分层制备渗流试验用土壤或多孔介质，依据从下至上的顺序组装渗流模型箱(2)；

步骤二，将渗流试验柱左右两侧取样口(2-12)与测压口(2-13)分别与水质测试设备(4-1)对应测压管(3-1)相接，将集水箱(4-2)放置于出流水量称重装置(4-3)后置于渗流试验柱出流箱室出流口(2-14)下方，并完成校准，若关注重点为出流水水质则可将出流口(2-14)与水质测试设备(4-1)相连；

步骤三，以纯水机(1-1)、灭菌水箱(1-2)、恒温水箱(1-3)、蠕动泵(1-4)的顺序连接，安装和设置恒温渗流加载系统(1)，进行调试和测试；

步骤四，打开渗流试验加载系统(1)，设定恒温水箱(1-3)温度，稳定运行后开始渗流试验，并观测水质测试设备(4-1)、测压板(3-2)、集水箱(4-2)内水位高度与集水箱(4-2)出流水重量等试验参数的变化；

步骤五，记录数据，完成测试。

进一步的，步骤一包括以下子步骤：

子步骤一，首先根据研究目的和具体试验要选择合适的一种或多种土壤、多孔介质按需放置在不同渗流段箱室，设计包含了三段渗流段箱室，上下箱室连接处可根据具体试验要求更换与所选介质尺寸相匹配的孔板(2-10)及滤网(2-11)进行辅助分隔，也可根据试验需求增减渗流段箱室数量。

子步骤二，所述第一渗流段箱室(2-2)、第二渗流段箱室(2-3)、第三渗流段箱室(2-4)均为等直径等高度的圆筒状有机玻璃柱，上下箱室之间使用法兰连接，法兰断面上设有密封槽，槽内装置密封圈，法兰之间可选择性放置孔板(2-10)或滤网(2-11)，将上下法兰的螺栓孔对齐后用螺栓或双头螺柱将上下箱体紧密连接，在试验正式开始前进行密封性试验确保连接处的气密性与水密性。

在步骤二中，在步骤二中，若试验手段为使用PIV对渗流柱内流场情况进行观察，则不需要进行取样口(2-12)与水质测试设备(4-1)的连接、测压口(2-13)与测压管(3-1)的连接；应将连接用软管移开并锁紧取样口(2-12)、测压口(2-13)阀门，将适用于PIV的可拆卸透光箱体(2-17)卡紧在支架(2-19)上，并充满适当液体后合上顶端左盖板(2-15)与右盖板(2-16)，防止杂质进入，影响试验效果；最后对所需渗流段进行拍摄，观测渗流柱内部流场情况。

本发明提供的一种一种适用于PIV的多层可拆卸恒温多孔介质渗流试验装置以及测试方法。分段式、可拆卸的渗流段箱室可以灵活的根据实验需要进行组装和拆卸，不但可以在不同段内放置不同土壤样本或多孔介质，解决目前室内一维渗流试验渗流柱一体化铸造导致无法分段制样、试验对象单一的问题；同时，实现了不同段内的土样与多孔介质可以进行分段拆解、无扰动取样的目标，取样过程中尽可能保留了渗流柱内介质的原有结构，在后续观测过程中，无论是采用微观观察的手段还是进行局部介质化验研究，这样的取样方式都可以帮助研究人员观察和理解土样真实的内部渗流状态、堵塞分布情况，对于解释多孔介质渗流的机理具有重大意义。

本发明中包含的渗流加载装置包括有纯水机、灭菌水箱、恒温水箱以及蠕动泵，这相较于目前仍被广泛使用的较落后的提高梯度水头进行水压加载的方法，实现了精准调控入流液体加载量的目标，可精确还原实际回灌条件下的水流状态，大大提高了试验结果的准确性与可靠性。同时，未经灭菌处理的水溶液在进行多孔介质中生物膜生长试验时，将对试验结果产生巨大且不可逆转的危害。因此本发明提供的一种可以实现精确控制入流速度、可控温并实现入流液体灭菌的实验装置方案，将大大提高多孔介质中微生物相关试验的可操作性与试验结果的准确性，对此类研究具有重要现实意义。另外使用适用于PIV的可拆卸透光箱体，还解决了常规圆柱状渗流柱柱体折射导致不适用于粒子图像测速PIV系统的弊端。